單光纖光鑷的研究

1、單光纖光鑷的研究1 緒論1.1 概述光學(xué)捕獲理論則是建立在光的輻射力基礎(chǔ)上的。當(dāng)光輻射場與物體的相互作用時會使物體受到光輻射力的作用。而激光捕獲就是利用激光的這一效應(yīng)實現(xiàn)對微粒的穩(wěn)定捕捉的。由于光鑷是利用光束實現(xiàn)對微粒非機械接觸的捕獲，而且捕獲距離遠大于捕獲對象的尺度，因此在捕獲過程中不會產(chǎn)生機械損傷也不會影響粒子周圍的環(huán)境。而且在操作過程中，光鑷可作為力的傳感器實時測量微粒間的相互作用力。這也使得光鑷不但是操控微粒同時還是研究微粒靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)特征的理想工具。但由于顯微鏡的常規(guī)光鑷儀器體積龐大，價格昂貴還有幾何尺寸等問題限制了常規(guī)光鑷作為生物粒子微操縱工具的應(yīng)用。而新發(fā)展的光纖光鑷技術(shù)能夠較

2、好地解決這類問題，它利用光纖出射光場構(gòu)成光鑷，使光阱操縱與光學(xué)顯微鏡分離。從而改善常規(guī)光鑷儀器所存在的問題。在目前為止，光鑷已被廣泛應(yīng)用于對細胞、細胞器和染色體的捕獲、分選、操縱、彎曲細胞骨架、克服分子馬達力引起的細菌旋轉(zhuǎn)動力、測定馬達蛋白作用力、及對膜體系進行定量研究。除此以外，光鑷技術(shù)還被應(yīng)用于微小顆粒的捕獲、排列和顯微制造等領(lǐng)域。隨著光電器件性能的進一步提高和光鑷技術(shù)的進步，光鑷必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。1.2 光鑷技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用光鑷是單光束梯度力勢阱的簡稱，是基于光作用于物體的輻射壓力和梯度力相互作用而形成的勢阱。1.2.1 光鑷技術(shù)的背景1864年，英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家麥克斯韋創(chuàng)立了電

3、磁場理論，提出輻射場攜帶動量，論證了光壓的存在，并推導(dǎo)出了光壓力的計算公式；1901年，俄國物理學(xué)家列別捷夫用懸在細絲下的懸體制成扭稱實現(xiàn)了光壓力的實驗測量；1905年，愛恩斯坦提出了光量子的概念，認為光是一群以光速運動的、既有質(zhì)量又有動量的光子流；1909年，德拜給出了線偏振電磁波作用于均勻球形粒子的輻射壓力的理論，但由于光輻射壓極其微弱，同時也因沒有足夠強的光源，所以無法進行實驗研究。直到20世紀60年代，激光的發(fā)明給輻射壓力的研究提供了高強度、高準直度的光源。在1968年，蘇聯(lián)科學(xué)家Letokhov提出了利用光場的梯度力來限制原子的想法；1969年，美國貝爾實驗室的Ashkin等人首次實

4、現(xiàn)了激光驅(qū)動微米粒子，此后他又發(fā)現(xiàn)微粒會在橫向被吸入光束。在研究了這兩種現(xiàn)象后，他又利用相對傳播的兩束激光實現(xiàn)了雙光束光阱；1970年，Ashkin等首先提出能利用光壓操縱微小粒子的概念，利用多光束激光的二維勢阱成功夾起并移動了水溶液中的小玻璃珠，后來這種激光夾持微粒的技術(shù)經(jīng)過不斷改進，所能捕獲的粒子越來越小；直到1986年，Ashkin等人采用大數(shù)值孔徑顯微物鏡會聚單束激光，在水溶液樣品池中實現(xiàn)了對介電微球的三維光學(xué)捕獲。這標志著“單束光梯度力阱”的誕生，簡稱為“光鑷”。1.2.2 光鑷技術(shù)的應(yīng)用（1） 生命科學(xué)領(lǐng)域 由于光鑷可以實現(xiàn)對生物活體樣品非接觸無損傷的捕獲和操縱，因此光鑷技術(shù)的應(yīng)用

5、研究熱點主要集中在生物學(xué)方面，特別適合于生物大分子、生物細胞的研究，如人們可用光鑷對細胞、細胞器及染色體進行捕獲、分選、操縱、彎曲細胞骨架、克服分子馬達力引起的細菌旋轉(zhuǎn)動力、測定馬達蛋白作用力及對膜體系進行定量研究。Ashkin首先將光鑷技術(shù)應(yīng)用到生物領(lǐng)域，實現(xiàn)對病毒和細菌的捕獲與操縱。利用光鑷技術(shù)實現(xiàn)激光誘導(dǎo)細胞融合，下圖為骨髓瘤細胞融合過程。圖1 骨髓瘤細胞融合K.Svoboda等人在分子水平上觀測到動蛋白分子沿微管以8nm的步幅騰躍前進，間隔為1ms量級，從而證明驅(qū)動蛋白分子將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的元過程是非連續(xù)的，這是人類第一次辨認出動蛋白的運動狀態(tài)。M.Daoa等人討論了利用光鑷對人類

6、血紅細胞的受損形狀力學(xué)研究，下圖2為利用光鑷進行細胞壁的力學(xué)參數(shù)測試的實驗過程。圖2 利用光鑷進行細胞壁的力學(xué)參數(shù)測試（2） 表面科學(xué)及凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域 目前光鑷技術(shù)在表面科學(xué)及凝聚態(tài)物理領(lǐng)域也得到了應(yīng)用與發(fā)展。其中以Missawa為代表的日本研究小組設(shè)計了一種光鑷分時操作裝置，使一束光可形成多達8個獨立的光阱。利用這一裝置對乳膠微粒進行了操作，能有效地控制粒子的流動方向，選擇顆粒的大小以及空間圖案的排布。除此以外，他們還發(fā)現(xiàn)表面結(jié)合了極性或非極性功能分子團的聚苯乙烯小球與溶液中的熒光探針分子相互作用，可使后者發(fā)射的熒光波長和強度發(fā)生發(fā)生，從而通過熒光信號可以探知小球表面的化學(xué)性質(zhì)。結(jié)合光譜測

7、量技術(shù)，光譜可以隨意地操縱或固定單個小球的空間位置。因此可以探測單個小球表面結(jié)合物發(fā)射熒光的細節(jié)，從而確定小球表面的分子結(jié)構(gòu)。（3） 微操控及微細加工領(lǐng)域 光鑷作為微小位移操縱手段和粒子間微小相互作用力的探針，不僅僅用于生物學(xué)領(lǐng)域，也同樣適合其他微小粒子的研究，諸如微粒的運動特性、微粒間的相互作用、微粒的排布和納米器件的組裝與檢測等。 采用光鑷技術(shù)還可以實現(xiàn)更為復(fù)雜的操作過程。如通過改變兩束激光的路徑差，可使光阱中的微顆粒發(fā)生可控制性旋轉(zhuǎn)、加速及停止等；另外，通過改變兩束激光的頻率差，也可對光阱中的微結(jié)構(gòu)實施可控及連續(xù)性的旋轉(zhuǎn)。Eriksen等人則研究了通過多光束光鑷實現(xiàn)對微顆粒的操作問題：采

8、用不規(guī)則鉆石微粒作為光鑷的“手柄”，Sun等人還成功地對粘附在微粒上的生物細胞進行操縱。Gauthier在1997年首次提出將光鑷應(yīng)用于微加工領(lǐng)域，可實現(xiàn)對微小器件的非接觸式移動、操縱和組裝。光鑷方法甚至可用于驅(qū)動微型齒輪，從而組成一種微光機電系統(tǒng)。（4） 光子晶體領(lǐng)域光鑷在光子晶體研究領(lǐng)域中也有重要應(yīng)用。光子晶體是近年來應(yīng)用物理和材料科學(xué)的一個重要研究領(lǐng)域，它是介質(zhì)顆粒周期排列而成的人工材料，能夠產(chǎn)生光子帶隙，頻率落在帶隙內(nèi)的光在晶體里沿任何方向都不能傳播?？梢岳霉忤噷庾泳w進行排列，如圖3所示。在制備三維光子晶體的方法中，仍然無法控制晶體生長過程中的缺陷態(tài)，利用光鑷技術(shù)對產(chǎn)生的缺陷進行

9、修復(fù)以及對生成的晶體進行修整，就能達到去除缺陷的目的，能夠生成大面積無缺陷的三維光子晶體。圖3 利用光鑷排列光子晶體除此以外，光鑷技術(shù)在基礎(chǔ)物理學(xué)、大氣物理、重力場和流體場等精密測量領(lǐng)域的應(yīng)用也正在研究中。為了擴展光鑷的應(yīng)用范圍，人們還將它與其它依賴于激光的顯微成像技術(shù)，如熒光成像、微分干涉襯成像、激光刀、激光共焦掃描、探針掃描等技術(shù)相結(jié)合。總之，光鑷理論和技術(shù)的深入研究將有效地促進生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)及納米技術(shù)等領(lǐng)域的研究與發(fā)展，同時也將因此而出現(xiàn)一些新的研究方法和研究領(lǐng)域。1.3 光纖光鑷技術(shù)基于顯微鏡的光鑷儀器體積龐大，價格昂貴，樣品移動自由度小等缺陷限制了普通光鑷的應(yīng)

10、用，使其很難操縱位于狹窄位置的微粒，也不易實現(xiàn)多光鑷操縱。這些固有的缺點限制了其作為生物粒子微操縱工具的應(yīng)用。新發(fā)展的光纖光鑷技術(shù)較好地解決了這些問題。光纖光鑷系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，捕獲范圍大等優(yōu)點越來越受到人們的廣泛重視。光纖光鑷系統(tǒng)是利用光纖出射的激光束來實現(xiàn)對粒子的微操縱。光纖光鑷的光路獨立，可使光阱及其操縱與光學(xué)顯微鏡分離，光學(xué)顯微鏡只起觀測功能，能夠改善常規(guī)光鑷儀器所存在的弊端。基于光纖光鑷儀器結(jié)構(gòu)要簡單得多，光纖有空間濾波效應(yīng)，對光源的傳播模沒有嚴格要求，可用帶尾纖的二極管激光器，無需外部光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)特別簡單。而更為有利的是：二極管激光器可以快速開關(guān)和調(diào)制，可滿足多種光微操

11、縱實驗研究的需求。與基于顯微鏡的光鑷系統(tǒng)相比，光纖形成的光阱操縱靈活，被捕獲的生物樣品可以自由移動。光鑷微操縱簡單適用，光纖可以深入到樣品室，在樣品池里形成光阱，大大提高了光阱捕陷范圍，捕陷光學(xué)系統(tǒng)從觀察光學(xué)系統(tǒng)中分離出來，使得在系統(tǒng)中添加激光束計量和光譜儀等測量設(shè)備有了較大的自由度。1.3.1 平端面光纖光鑷 基于平端面單模光纖光鑷技術(shù)是利用兩支精確準直、相向傳播的單模光纖平端面出射的激光束形成平端面光纖光阱的。Constable等人首先利用了這種平端面單模光纖形成的光阱，成功地實現(xiàn)了對尺寸在0.1-10um之間的聚苯乙烯小球和活性酵母的光捕獲和光操縱。他們的研究結(jié)果表明：對于直徑小于1um

12、的粒子，光阱捕獲的能力比已有的光鑷系統(tǒng)提高了3-5個數(shù)量級。Jense-Mcmullin等人采用腐蝕法加工V型槽，以V型槽作為光纖的準直定位手段，建立了由兩根單模捕獲光纖和一根多模光譜探測光纖組成的光纖光學(xué)捕捉系統(tǒng)。圖4 光纖捕捉、探測系統(tǒng)1.3.2 半球形自透鏡端面光纖光鑷半球形自透鏡單模光纖的光鑷技術(shù)，其主要特點是光纖末端面被精磨成逐漸變細的半球面狀，從其末端面出射的激光束具有弱聚焦特性。這種自透鏡單模雙光纖光阱技術(shù)不僅很好地改善了光纖光鑷的穩(wěn)定性，而且提高了光阱捕獲區(qū)域的范圍。圖5 基于半球形自透鏡單模的光纖光鑷2 光鑷的原理 光鑷實際上是一束強會聚激光形成的特殊光場，物體一旦涉足光場就

13、會自動移向光束中心，這種不由自主的運動猶如物體從空中墜向地面，表現(xiàn)出一種向心“引力”效應(yīng)。而光鑷其實就是具有引力的光學(xué)勢阱，這個光學(xué)勢阱如一把鑷子，能夾持和操縱微小物體，所以稱為光學(xué)鑷子或簡稱為光鑷。2.1 光鑷的基本原理2.1.1 光的力學(xué)效應(yīng)光的本質(zhì)是電磁波，它具有能量和動量。當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時會產(chǎn)生動量的傳遞，而表現(xiàn)為對物體施加一個力，并引起物體位移和速度的改變，這叫做光的力學(xué)效應(yīng)。它主要表現(xiàn)為對物體的壓力，所以稱之為光壓。對于垂直入射的光束作用在完全吸收面上的光的輻射壓，采用坡印亭矢量S可表示為：經(jīng)求時間平均后的：其中，I為光強度。因此，作用在實際物體上的光捕獲力F可表示為： 其中，

14、n1為周圍介質(zhì)的折射率；c為光速；P為光功率；Q稱為捕獲率，是作用在實際物體上力與入射光具有的單位時間動量的比值，為無量綱數(shù)，取值0-2，作為光捕獲特性的指標使用。該Q值在很大程度上依賴于光學(xué)條件，如激光器聚光角、波長、光斑尺寸、偏振光、光束分布圖等；微小物體條件（尺寸、形狀、折射率）和環(huán)境條件（水、空氣）等。2.1.2 光阱力的分析及其形成條件（1） 梯度力和散射力當(dāng)一束激光經(jīng)透鏡聚焦后，射入軸上焦點附近的透明介質(zhì)球，該介質(zhì)球主要受到兩種力的作用，一是來自于粒子對光的反射、散射以及吸收的散射力Fscat，在這些過程中粒子會受到沿著光傳播方向的作用力，使得粒子沿著光束的傳播方向運動；另一種是來

15、自介質(zhì)小球中的電偶極距在不均勻電磁場中受到的梯度力Fgrad。它正比于光強的梯度，指向光場強度的最大處。它使得粒子朝向光功率密度最大的點運動。當(dāng)梯度力大于散射力時，粒子就能在光強度梯度最大處被捕獲。因此，光鑷是利用微粒與光折射作用產(chǎn)生的梯度力來工作的。如下圖6所示，介質(zhì)球球心處于激光束焦點下方，當(dāng)軸外光線a、b無損耗地穿過電介質(zhì)小球上時，被折射使傳播方向更平行于光軸，即增大了縱向動量。而由動量守恒原理可知小球會相應(yīng)的獲得負方向的動量，即小球受到的縱向力為拉力。由此可知光束a、b施加在小球上的力為Fa、Fb，其合力趨向于把小球拉向焦點。而這就是光束對處于激光束焦點下方的介質(zhì)球產(chǎn)生與其傳播方向相反

16、的拉力的來源。對于球心處在光束焦點上方和光束焦點右方的小球，可以用類似的力分析得到，光通過小球的折射后，小球?qū)⒎謩e受到指向正光軸和向左的梯度力作用，都使小球趨向于光束焦點運動。圖6 梯度力和散射力的示意圖因此，在單光束梯度力光阱中，球心處于焦點之前、之后或左或右的介質(zhì)小球，由于激光微束與小球折射作用產(chǎn)生的梯度力，都會使小球趨向于焦點。梯度力阱中任何橫向偏離都會導(dǎo)致因橫向上梯度力產(chǎn)生回復(fù)力，而任何縱向的偏離都會導(dǎo)致縱向梯度力產(chǎn)生回復(fù)力。梯度力使小球停止在焦點附近的作用，類似彈簧力，所以在焦點附近的小球?qū)艿竭@三維空間的回復(fù)力而被穩(wěn)定地束縛于阱中。逆光束傳播的負向梯度力更為重要，它主宰著軸向平衡

17、的穩(wěn)定性，具有大數(shù)值孔徑且匯聚角大的場合，可實現(xiàn)大捕獲力、大彈簧剛度，進而實現(xiàn)大的捕獲范圍。（2） 形成光學(xué)三維勢阱的條件光鑷要在三維方向上穩(wěn)定捕獲粒子首要的基本條件就是光強的分布需要有大的光強梯度，使得光梯度力大于散射力，將粒子捕獲。另一個條件是粒子的折射率n2大于周圍介質(zhì)的折射率n1。因為如果一個低折射率的粒子處在一高折射率的介質(zhì)中，即n2n1時反向的。此時，粒子將被從光場強度高的地方推向光場強度低的地方，顯然粒子將被推出光場。在滿足這兩條件的基礎(chǔ)上，微粒能否被穩(wěn)定地捕獲還涉及物理與生物粒子方面的性質(zhì)，如激光微束的光波長、功率、束腰半徑、生物微粒的大小、球半徑、極化狀態(tài)、光匯聚角、吸收系數(shù)

18、和粒子與周圍介質(zhì)的相對折射率、以及球心與光軸的距離和球心與束腰的距離等，這些因素都不同程度地影響著捕獲效果。2.2 光阱力的理論計算模型根據(jù)粒子半徑與激光波長的關(guān)系，采用不同的模型來描述激光捕獲性能。對于尺寸比波長大得多的Mie散射區(qū)的米氏粒子，利用射線光學(xué)模型方法進行近似定量計算是成立的；對于尺寸比波長小得多的Rayleigh散射區(qū)的瑞利粒子，可采用電磁學(xué)模型進行近似定量計算；對于尺寸與波長相近的球狀粒子和一些非球狀粒子所受光阱力的定量計算，目前還沒有一個簡單、統(tǒng)一的模型，由于廣義洛倫茲和Mie理論能夠分析任意粒子尺寸和非平面波入射的情況，可以用于這種情況的分析外，能夠較廣泛發(fā)揮作用的是各種

19、數(shù)值方法。2.2.1 射線光學(xué)模型當(dāng)微粒半徑遠大于光波長時，滿足Mie散射條件。一般采用射線光學(xué)模型，用光線光學(xué)的方法來描述微粒的受力情況。此方法是通過單條光線作用力的疊加得到光阱的作用力。在幾何光學(xué)范圍內(nèi)光可以被分解為具有強度、方向和極化狀態(tài)大致相同的一根根光線，它們在同一種介質(zhì)內(nèi)沿直線傳播或者說沒跟光線都可以被看作具有波長為零的平面波的性質(zhì)。它們在介質(zhì)交界處的反射、折射和極化的規(guī)律遵循菲涅耳公式，在這個范圍內(nèi)衍射可以被忽略。首先考慮功率為P的單根光線，其單位時間的入射功率為n1P/c,以角入射在介質(zhì)球上的力，如圖8所示：圖7 單條光線的射線光學(xué)模型2.2.2 電磁模型當(dāng)微粒半徑遠小于光波長

20、時，滿足Rayleigh散射條件，可采用電磁場模型來研究電磁場中粒子的行為，即用瑞利散射的理論進行近似計算。應(yīng)用感應(yīng)電偶極子受洛倫茲力計算梯度力為：應(yīng)用電偶極子對電磁波的散射理論計算散射力為：其中，為時域平均坡印亭矢量，散射截面Cs為：以上考慮的是瑞利散射的情況，對于金屬及吸收光子的瑞利粒子來說，引入復(fù)折射率，計算公式仍然成立。2.2.3 廣義洛倫茲和Mie理論由于尺度與波長相近的粒子易被很牢固地捕捉，因此實際中研究的粒子大多數(shù)是在這一尺度范圍內(nèi)的，但在此尺度內(nèi)，缺少與之相匹配的理論，用射線光學(xué)方法或者電磁模型方法計算均有較大誤差，而廣義洛倫茲和Mie理論適用于該尺度內(nèi)粒子的計算。（1） 理論

21、模型 廣義洛倫茲和Mie理論是Gouesbet等人通過大量的計算分析提出的，他們采用該理論分析了任意大小的粒子在高斯光束中所受的輻射力；Harada等人也利用該理論驗證他們推導(dǎo)出介質(zhì)球在瑞利散射情況時介質(zhì)球輻射壓力的理論表達式的有效性。該理論所用坐標系如圖9所示，原點位于光束束腰中心處，z軸正方向為光束的傳播方向，入射光波電場強度沿x軸方向偏振，粒子幾何中心在該坐標系中的位置矢量r=（x，y，z）。圖8 幾何模型圖（2） 輻射壓力橫截面系數(shù) （1）軸向輻射壓（z方向） （2）橫向輻射壓（x和y方向）y方向的壓力橫截面系數(shù)同理可求出。（3） 輻射壓力光對粒子的輻射力被分解成三個橫截面上的分量，其

22、形式如下：2.3 根據(jù)動量守恒原理的光阱力計算法電荷受電磁場的作用力由洛倫茲力公式表示。以表示作用力密度，有電荷系統(tǒng)受力作用后，它的動量發(fā)生變化。由動量守恒定律，電磁場的動量也應(yīng)該相應(yīng)的改變。用麥克斯韋方程組把上式右邊完全用場量表出，有因此電磁場的動量密度為考慮一目標空間體積為V，包圍其外邊界的面積為S，則系統(tǒng)的總動量守恒定律可寫成：圖9 動量流密度張量示意圖4 單光纖光鑷系統(tǒng)的設(shè)計4.1 單光纖光鑷系統(tǒng)的基本組成： (1)激光器光源：為了實現(xiàn)對樣品精確可靠的無損傷操作，應(yīng)選擇波長、功率、性能都穩(wěn)定可靠的激光器作為光源。(2)光纖光路耦合與光功率監(jiān)測：激光能量要求能有效地耦合入用于操縱粒子的光

23、纖探針中，以避免不必要的損耗以及引入高階模，同時光功率應(yīng)能實現(xiàn)在線監(jiān)控。(3)光纖夾持與調(diào)節(jié)裝置：由于光纖光鑷系統(tǒng)需要精確的控制光纖針作微米量級的移動、對準與調(diào)節(jié)，且要球探針在捕獲時有很好的穩(wěn)定性。因此需要一套準確度很高、操縱方便、力學(xué)穩(wěn)定性好的光纖夾持與調(diào)節(jié)系統(tǒng)。(4)顯微觀測裝置：以顯微物鏡為核心的光學(xué)成像系統(tǒng)是顯微觀察所必備的裝置。(5)實時監(jiān)測與圖像處理系統(tǒng)：單光纖光鑷系統(tǒng)要求具有較高的時空分辨率來捕捉和分解瞬息萬變的生物粒子的動態(tài)過程。所以一個具有實時觀察、連續(xù)記錄和隨時可進行參數(shù)調(diào)整功能的監(jiān)測與圖像處理系統(tǒng)就成為光鑷微操縱系統(tǒng)的一個重要組成部分。(6)光阱力測量裝置：單光纖光鑷作為

24、研究微觀粒子特征的有效工具，一項十分重要的功能就是實現(xiàn)微小力的測量。因此，對于不同端面形狀的光鑷的光阱力進行測量與標定是不可缺少的重要組成部分。圖10 單光纖光鑷系統(tǒng)的示意圖4.2 單光纖光鑷系統(tǒng)的設(shè)計4.2.1 激光器光源激光器作為單光纖光鑷系統(tǒng)中光阱形成的光源，對形成光阱的質(zhì)量和整個光鑷系統(tǒng)的穩(wěn)定性都具有十分重要的作用。 1、波長的考慮：由于單光纖光鑷系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域就是生物學(xué)領(lǐng)域，而在其他應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ΣㄩL的要求都不高，所以波長選擇應(yīng)以生物學(xué)應(yīng)用作為主要設(shè)計依據(jù)。 而作為單光纖光鑷系統(tǒng)的光源，工作在紅外波段是比較好的選擇，同時這一波段剛好處于光纖的低損耗窗口，適宜在光纖內(nèi)傳輸。2、功率

25、的考慮：激光功率的大小要考慮能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的捕獲操作，這依賴于粒子的個體性質(zhì)，對于不同種類或同一種類不同條件下制備的樣品，其閥值功率不同。另一方面，在滿足穩(wěn)定捕獲的前提下，功率應(yīng)盡量降至最小，以減小光損傷；同時，由于探針深入到樣品液中，高功率很容易使探針尖被污染，影響出射光場，甚至使探針完全報廢。幾毫瓦到幾十毫瓦的能量在微米級尺寸上將產(chǎn)生幾十到幾百皮牛的力，足以克服微米級粒子的重力，所以在實際應(yīng)用中只需一個小功率激光器就能滿足要求。3、光纖耦合方面的考慮：光纖光鑷與傳統(tǒng)光鑷對光源的需求是有差別的，在光纖光鑷中光纖除了起到光能量傳導(dǎo)作用外，在其尖端還能產(chǎn)生三維光勢阱，所以在光源選擇方面，應(yīng)盡量選擇

26、與光纖傳輸性能匹配的光源，而且光源與光纖的耦合應(yīng)盡量避免使用透鏡等空間光路器件，以提高光路的穩(wěn)定性。帶尾纖激光器是個比較好的選擇。綜上所述，系統(tǒng)中我們選取的光源為波長980nm光纖泵浦激光器，該激光器帶有尾纖輸出，最大出纖功率120mw。4.2.2 光纖光路耦合與光功率監(jiān)測：在單光纖光鑷系統(tǒng)中，光功率監(jiān)測是不可或缺的一個部分。而對光纖光鑷直接出射光功率的直接檢測受到諸如被捕獲物的影響、載物臺尺寸等諸多因素的限制，因此要在光纖光路部分插入了一個分光比為95:5的光纖分路器，將總光功率分出一部分送給光纖功率計進行間接測量。在光纖光路耦合方面，由于后向反射光對光源功率穩(wěn)定性的影響，在應(yīng)用當(dāng)中應(yīng)盡量減

27、少光纖活動連接頭的使用，所以光纖的連接部分都采用焊接的方式連接。在與光纖功率計連接時，由于只能使用活接頭的方式，所以使用了APC型接頭方式，以減小后向反射。4.2.3 光纖夾持與調(diào)節(jié)機構(gòu)在單光纖光鑷系統(tǒng)中，由于光纖的機械操作與顯微觀測完全分離，所以光纖的夾持與調(diào)節(jié)機構(gòu)需要單獨設(shè)計。光纖的夾持與調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計需要考慮的因素：1、根據(jù)實際需要，選擇合適的操作方式，能夠?qū)饫w光鑷的位置靈活控制。2、由于單光纖光鑷的操作對象多為微米量級的物體，所以光纖調(diào)節(jié)精度至少為微米量級。3、單光纖光鑷系統(tǒng)只能產(chǎn)生PN量級的捕獲力，對振動干擾敏感，所以系統(tǒng)的隔振性能與穩(wěn)定性要好。考慮到以上因素，裝置中光纖位移的調(diào)節(jié)

28、使用了手動精密三維位移平移臺，移動部件采用線性滾珠滑軌，每一維行程25mm。光纖角度調(diào)節(jié)采用三維角度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺可360o旋轉(zhuǎn)，最小分辨率0.004o。轉(zhuǎn)臺俯仰角度調(diào)節(jié)范圍5o，最小分辨率0.003o。光線采用不銹鋼管封裝，安裝在三維角度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺上?？紤]到裝置的隔振性能與穩(wěn)定性，光纖的夾持與調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝時，需固定在光學(xué)平臺上。圖11 光纖的夾持與調(diào)節(jié)裝置4.2.4 顯微觀測系統(tǒng)實驗系統(tǒng)中，顯微鏡是重要的裝置，它不僅提供了的顯微觀測手段，而且在操作過程也發(fā)揮著不可替代的作用。顯微鏡的選取應(yīng)保證良好的光學(xué)成像質(zhì)量和機械穩(wěn)定性，同時還要方便生物樣品的操作以及光纖光鑷系統(tǒng)的搭建。通過采用倒置式生物顯

29、微鏡可很好地滿足實驗要求。4.2.5 實時監(jiān)測與圖像處理系統(tǒng) CCD攝像與圖像處理系統(tǒng)可以對粒子進行實時觀察、連續(xù)記錄，以便隨時對系統(tǒng)進行參數(shù)調(diào)整。要求CCD攝像系統(tǒng)具有很高的時間和空間分辨率，能夠進行靜態(tài)和動態(tài)記錄；圖像處理系統(tǒng)完成對采集圖像的相應(yīng)處理與分析。此外還可以利用CCD實現(xiàn)光鑷納米級微小位移的測量。通過對CCD所獲取目標圖像重心的提取可實現(xiàn)目標位置的判定。另外，CCD“虛擬四象限探測器”位移測量法是基于CCD光敏元光積分量隨目標位移而變化的機理，從攝取的CCD數(shù)字圖像提取目標位移信號，該方法很好地改善CCD中心提取方法的一些不足之處。4.2.6 光阱力測量裝置單光纖光鑷作為研究微觀

30、粒子特性的有效工具，一項十分重要的功能就是實現(xiàn)微小力的測量。為此對不同的端面形狀的光鑷的光阱力需要進行標定和測量。利用光鑷測力有兩種方法，一種是測量它在液體中操縱微粒進行勻速運動所能達到的最大速度逃逸速度，速度大于此值時微粒受到的流體粘滯力將大于光阱力，因而微粒將逃逸出光阱。利用這一速度就可以計算出微粒相對周圍液體運動時與光阱力相平衡的粘滯阻力，此時的光阱力稱為逃逸阱力，是描述光鑷捕獲性能的重要參數(shù)之一。另一種測量方法是基于在一定范圍內(nèi)可將光鑷看作一簡諧勢阱，利用光阱剛度，測量作用在微粒上的外力。常用的光鑷標定方法有(1) 外加周期驅(qū)動力法；(2)運動軌跡分析法；這兩種方法各有特點，第一種方法

31、需要精確知道值，但位移探測器不需要進行嚴格的標定，因為此方法只關(guān)心其位移功率譜的截止頻率，而位移量的絕對值對其不產(chǎn)生影響；第二種方法需對位移探測器進行嚴格的標定，但這種方法不需要知道值。(3) 流體力學(xué)法當(dāng)流體與被光阱捕獲的小球以一定的速度相對流動時，由于流體對小球產(chǎn)生粘滯力，使得小球偏離光阱的中心位置。當(dāng)粘滯力與光阱力相等，小球就停留在某一平衡位置。光鑷的力學(xué)校準可用流體力學(xué)的Stokes公式來進行。其表達式為式中v為小球與流體的相對運動速度，r為小球的半徑，為流體粘滯系數(shù)。無論是何種方法，都需要記錄相應(yīng)時刻被捕獲物體的位移。單光纖光鑷系統(tǒng)中用CCD相機負責(zé)記錄物體運動過程，獲得物體運動的動態(tài)圖像序列，其中每一幀圖像都包含了相應(yīng)時刻的物體位置信息，將圖像進行處理后直接比較小球圖像邊緣的位置變動，